光纖傳感器的應(yīng)用舉例剖析

1、光纖光纖式傳感器應(yīng)用舉例式傳感器應(yīng)用舉例1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器光纖光纖式傳感器應(yīng)用舉例式傳感器應(yīng)用舉例7 工業(yè)用內(nèi)窺鏡工業(yè)用內(nèi)窺鏡8 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器9 光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用11 光纖納米生物傳感器光纖納米生物傳感器12 光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 光纖測(cè)溫技術(shù)是一種新技術(shù)，光纖溫度傳感器光纖

2、測(cè)溫技術(shù)是一種新技術(shù)，光纖溫度傳感器是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。按調(diào)制原理是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。按調(diào)制原理分為相干型和非相干型兩類。在相干型中有偏振干分為相干型和非相干型兩類。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式溫度傳感器等；在非相干涉、相位干涉以及分布式溫度傳感器等；在非相干型中有輻射溫度計(jì)、半導(dǎo)體吸收式溫度計(jì)、熒光溫型中有輻射溫度計(jì)、半導(dǎo)體吸收式溫度計(jì)、熒光溫度計(jì)等。度計(jì)等。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 1. .半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器 半導(dǎo)體材料的光吸收和溫度的關(guān)系曲線如圖所半導(dǎo)體材料的光吸收和溫度的關(guān)系曲線如圖所示。半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)示

3、。半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)l lg( (T) )隨溫度增加而向隨溫度增加而向較長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移。較長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感器。透過(guò)半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。器。透過(guò)半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 圖示為雙光纖參圖示為雙光纖參考基準(zhǔn)通道法半導(dǎo)體考基準(zhǔn)通道法半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感吸收式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。器的結(jié)構(gòu)框圖。 光源為光源為GaAlAs發(fā)光二極管，測(cè)溫介質(zhì)為測(cè)

4、量光纖發(fā)光二極管，測(cè)溫介質(zhì)為測(cè)量光纖上的半導(dǎo)體材料上的半導(dǎo)體材料CdTe。參考光纖上面沒(méi)有敏感材料。參考光纖上面沒(méi)有敏感材料。采用除法器消除外界干擾，提高測(cè)量精度。測(cè)溫范圍采用除法器消除外界干擾，提高測(cè)量精度。測(cè)溫范圍在在40 120 之間，精度為之間，精度為1 。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 2. .干涉型光纖溫度傳感器干涉型光纖溫度傳感器 溫度變化能引起光纖中溫度變化能引起光纖中傳輸光傳輸光的相位變化，利用的相位變化，利用光纖干涉儀檢測(cè)相位變化即可測(cè)得溫度。圖示是利用光纖干涉儀檢測(cè)相位變化即可測(cè)得溫度。圖示是利用馬赫馬赫曾特爾曾特爾干涉儀測(cè)溫的原理圖。光通過(guò)信號(hào)臂產(chǎn)干涉儀測(cè)溫的原理圖。

5、光通過(guò)信號(hào)臂產(chǎn)生的相位變化為生的相位變化為)20. 8(2nLl式中，式中，L為感受溫度變化的光為感受溫度變化的光纖段的長(zhǎng)度，纖段的長(zhǎng)度，l l為光源波長(zhǎng)。為光源波長(zhǎng)。氦氖激光器擴(kuò)束器分束器顯微物鏡單模光纖被測(cè)溫度場(chǎng)光探測(cè)器1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 例例8.1 若已知光源波長(zhǎng)若已知光源波長(zhǎng)l l0.6328 m mm，對(duì)，對(duì)n1.456的單模石英玻璃光纖，有的單模石英玻璃光纖，有C/1010ddC/105dd67TnTLL,試計(jì)算在試計(jì)算在1 m的光纖上，溫度每變化的光纖上，溫度每變化1 時(shí)，將有時(shí)，將有幾根條紋移動(dòng)。幾根條紋移動(dòng)。1 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器解解 根據(jù)式根據(jù)式(

6、(8.20) )，對(duì)溫度求導(dǎo)得，對(duì)溫度求導(dǎo)得)20. 8(2nLlTLnTnLTdddd2ddlTLLnTnTLdddd2ddl代入已知條件得代入已知條件得m)Crad/( 107ddTL則條紋移動(dòng)數(shù)則條紋移動(dòng)數(shù) 。)mC/(17)2/(ddTLm2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 1. .反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器 通過(guò)改變反射面與光纖端面之間的距離來(lái)調(diào)制通過(guò)改變反射面與光纖端面之間的距離來(lái)調(diào)制反射光的強(qiáng)度。反射光的強(qiáng)度。Y形光纖束由幾百根至幾千根直徑形光纖束由幾百根至幾千根直徑為幾十為幾十m mm的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖維

7、數(shù)目大致相等，長(zhǎng)度相同的兩束。維數(shù)目大致相等，長(zhǎng)度相同的兩束。2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 發(fā)送光纖束和接收光纖束在匯集處端面的分布發(fā)送光纖束和接收光纖束在匯集處端面的分布有多種，如隨機(jī)分布、對(duì)半分布、同軸分布有多種，如隨機(jī)分布、對(duì)半分布、同軸分布( (分為接分為接收光纖在外層和接收光纖在內(nèi)層兩類收光纖在外層和接收光纖在內(nèi)層兩類) )，如圖所示。，如圖所示。位移MABCD1234XM1隨機(jī)分布2對(duì)半分布3同軸分布4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強(qiáng)2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 反射光強(qiáng)與位移的關(guān)反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系如圖所示。系如圖所示?？梢钥闯?，可以看出，隨機(jī)分布時(shí)傳感器的靈敏隨機(jī)分布時(shí)

8、傳感器的靈敏度和線性都較好。還可以度和線性都較好。還可以看出，看出，AB段的靈敏度和段的靈敏度和線性好，但測(cè)量范圍小，線性好，但測(cè)量范圍小，CD段的斜率小即靈敏度段的斜率小即靈敏度低，但線性范圍寬。低，但線性范圍寬。1隨機(jī)分布；隨機(jī)分布；2對(duì)半分布；對(duì)半分布；3同軸分布；同軸分布；4同軸分布同軸分布位移MABCD1234XM1隨機(jī)分布2對(duì)半分布3同軸分布4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強(qiáng)AMB CDM2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 假設(shè)傳感器工作在假設(shè)傳感器工作在AB段，偏置工作點(diǎn)在段，偏置工作點(diǎn)在M，被，被測(cè)物體的反射面與光纖端測(cè)物體的反射面與光纖端面之間的初始距離是面之間的初始距離是M點(diǎn)

9、點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的距離所對(duì)應(yīng)的距離XM。由曲線。由曲線可知，隨位移增加光強(qiáng)增可知，隨位移增加光強(qiáng)增加，反之則光強(qiáng)減少，故加，反之則光強(qiáng)減少，故由此可確定位移方向。由此可確定位移方向。1隨機(jī)分布；隨機(jī)分布；2對(duì)半分布；對(duì)半分布；3同軸分布；同軸分布；4同軸分布同軸分布位移MABCD1234XM1隨機(jī)分布2對(duì)半分布3同軸分布4同軸分布發(fā)送光纖接收光纖反射光強(qiáng)AMB CDM2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 光纖位移傳感器一般用來(lái)測(cè)量小位移。最光纖位移傳感器一般用來(lái)測(cè)量小位移。最小能檢測(cè)零點(diǎn)幾小能檢測(cè)零點(diǎn)幾m mm的位移量。這種傳感器已的位移量。這種傳感器已在鍍層不平度、零件橢圓度、錐度、偏斜度等在鍍層不平度

10、、零件橢圓度、錐度、偏斜度等測(cè)量中得到應(yīng)用，它還可用來(lái)測(cè)量微弱振動(dòng)，測(cè)量中得到應(yīng)用，它還可用來(lái)測(cè)量微弱振動(dòng)，而且是非接觸測(cè)量。而且是非接觸測(cè)量。2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 2. .干涉型光纖位移傳感器干涉型光纖位移傳感器 干涉型光纖位移傳感器和反射光強(qiáng)調(diào)制型位移干涉型光纖位移傳感器和反射光強(qiáng)調(diào)制型位移傳感器相比，測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高。傳感器相比，測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高。 測(cè)量位移的測(cè)量位移的邁克爾遜干涉儀如圖所示。邁克爾遜干涉儀如圖所示。1234567889101氦氖激光器；氦氖激光器；2分束分束器；器；3擴(kuò)束鏡；擴(kuò)束鏡；4反射反射鏡；鏡；5可移動(dòng)四面體棱鏡；可移動(dòng)四面體棱鏡；6全息照

11、片；全息照片；7光纖參光纖參考臂；考臂；8光探測(cè)器；光探測(cè)器；9可逆計(jì)數(shù)器；可逆計(jì)數(shù)器；10光闌光闌 物光和參考光干涉，在全息干板上形成干涉物光和參考光干涉，在全息干板上形成干涉條紋。四面體棱鏡移動(dòng)時(shí)，由于光程差變化而使條紋。四面體棱鏡移動(dòng)時(shí)，由于光程差變化而使干涉條紋移動(dòng)，從干涉條紋的移動(dòng)量可以確定位干涉條紋移動(dòng)，從干涉條紋的移動(dòng)量可以確定位移的大小。移的大小。兩個(gè)光探測(cè)器用來(lái)確定移動(dòng)方向。兩個(gè)光探測(cè)器用來(lái)確定移動(dòng)方向。1234567889101氦氖激光器；氦氖激光器；2分束分束器；器；3擴(kuò)束鏡；擴(kuò)束鏡；4反射反射鏡；鏡；5可移動(dòng)四面體棱鏡；可移動(dòng)四面體棱鏡；6全息照片；全息照片；7光纖參光

12、纖參考臂；考臂；8光探測(cè)器；光探測(cè)器；9可逆計(jì)數(shù)器；可逆計(jì)數(shù)器；10光闌光闌2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 1. .光纖渦流流量計(jì)光纖渦流流量計(jì) 原理如圖所示。采用一根原理如圖所示。采用一根橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多模光纖作為傳感元件。光纖受模光纖作為傳感元件。光纖受到液體渦流的作用而振動(dòng)，這到液體渦流的作用而振動(dòng)，這種振動(dòng)與液體的流速有關(guān)。種振動(dòng)與液體的流速有關(guān)。入射光水管重物斑圖dlh3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 根據(jù)流體力學(xué)原理，由于光纖不是流線體，在根據(jù)流體力學(xué)原理，由于光纖不是流線體，在一定條件下

13、，在其下游會(huì)產(chǎn)生渦流。這種渦流是在一定條件下，在其下游會(huì)產(chǎn)生渦流。這種渦流是在光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱為卡門光纖下游兩側(cè)產(chǎn)生的有規(guī)律的漩渦，稱為卡門“渦渦街街”，由于漩渦列之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)，由于漩渦列之間的相互作用，渦列一般不穩(wěn)定，但是實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)滿足定，但是實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)滿足h/ /l0.281時(shí)，渦列是時(shí)，渦列是穩(wěn)定的。穩(wěn)定的。入射光水管重物斑圖dlh3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 當(dāng)每個(gè)漩渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，它會(huì)在光纖上產(chǎn)生一當(dāng)每個(gè)漩渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，它會(huì)在光纖上產(chǎn)生一種側(cè)向力，這樣就有一個(gè)周期力作用在光纖上，使其種側(cè)向力，這樣就有一個(gè)周期力作用在光纖上，使其

14、振動(dòng)。野外的電線等在風(fēng)吹動(dòng)下會(huì)嗡嗡作響，就是這振動(dòng)。野外的電線等在風(fēng)吹動(dòng)下會(huì)嗡嗡作響，就是這種現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，光纖振動(dòng)的頻率由下式得出種現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，光纖振動(dòng)的頻率由下式得出)23. 8(/dsf式中式中， 為流速；為流速；d為光纖直徑；為光纖直徑；s為斯特羅哈數(shù)為斯特羅哈數(shù)( (無(wú)量無(wú)量綱綱) )，當(dāng)雷諾數(shù)當(dāng)雷諾數(shù)Re在在500150000范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)圓柱體范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)圓柱體s0.2。3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 當(dāng)光通過(guò)未受擾動(dòng)的光纖時(shí)，如果光纖直徑為當(dāng)光通過(guò)未受擾動(dòng)的光纖時(shí)，如果光纖直徑為200 m mm300 m mm，在距離光纖端面約，在距離光纖端面約1520 cm

15、的的地方可以觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖，但它的分布是地方可以觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖，但它的分布是無(wú)規(guī)則的。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí)，這些斑圖就會(huì)不斷地振無(wú)規(guī)則的。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí)，這些斑圖就會(huì)不斷地振動(dòng)，如用光探測(cè)器接收斑圖的一個(gè)小區(qū)域，即可通動(dòng)，如用光探測(cè)器接收斑圖的一個(gè)小區(qū)域，即可通過(guò)頻譜儀讀出光纖振動(dòng)的頻率。由式過(guò)頻譜儀讀出光纖振動(dòng)的頻率。由式( (8.23) )算出流算出流速，在管子尺寸一定的條件下，就可得出流量。速，在管子尺寸一定的條件下，就可得出流量。3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且安全可靠，可用于易這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且安全可靠，可用于易燃、易爆及有腐蝕性的液體測(cè)

16、量。因?yàn)楣饫w直徑很燃、易爆及有腐蝕性的液體測(cè)量。因?yàn)楣饫w直徑很細(xì)，對(duì)流體的流阻小，對(duì)流場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響。不足細(xì)，對(duì)流體的流阻小，對(duì)流場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響。不足之處是對(duì)低速流體不敏感。之處是對(duì)低速流體不敏感。3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 2. .光纖多普勒血流傳感器光纖多普勒血流傳感器 利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光纖速度傳感器。由于光利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光纖速度傳感器。由于光纖很細(xì)纖很細(xì)( (外徑約幾十外徑約幾十m mm) )，能裝在注射器針頭內(nèi)，插，能裝在注射器針頭內(nèi)，插入血管中。又由于光纖速度傳感器沒(méi)有觸電的危險(xiǎn)，入血管中。又由于光纖速度傳感器沒(méi)有觸電的危險(xiǎn)，所以用于測(cè)量心臟內(nèi)的血流十分安

17、全。所以用于測(cè)量心臟內(nèi)的血流十分安全。3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 圖示為光纖多普勒血流傳感器的原理圖。測(cè)量圖示為光纖多普勒血流傳感器的原理圖。測(cè)量光束通過(guò)光纖探針進(jìn)到被測(cè)血流中，經(jīng)直徑約光束通過(guò)光纖探針進(jìn)到被測(cè)血流中，經(jīng)直徑約7 m mm的紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒的紅血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒頻移信號(hào)頻移信號(hào)f D Df，頻移，頻移D Df為為)24. 8(cos2lnf D式中，式中， 為血流速度；為血流速度；n為血液的折射率；為血液的折射率； 為為光纖軸線與血管軸線的光纖軸線與血管軸線的夾角；夾角；l l為激光波長(zhǎng)。為激光波長(zhǎng)。fDDf3

18、光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 另一束進(jìn)入驅(qū)動(dòng)頻率為另一束進(jìn)入驅(qū)動(dòng)頻率為f140 MHz的布喇格盒的布喇格盒( (頻移器頻移器) )，得到頻率為，得到頻率為ff1的參考光信號(hào)。的參考光信號(hào)。f1+D Dff f1 將參考光信號(hào)與將參考光信號(hào)與多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行混頻，就得到要探測(cè)混頻，就得到要探測(cè)的信號(hào)。這種方法稱的信號(hào)。這種方法稱為為光學(xué)外差法光學(xué)外差法。fDDf3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 經(jīng)光電二極管將混頻信號(hào)變換成光電流送入頻經(jīng)光電二極管將混頻信號(hào)變換成光電流送入頻譜分析儀，得出對(duì)應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜譜分析儀，得出對(duì)應(yīng)于血流速度的多普勒頻

19、移譜( (速速度譜度譜) )，如右圖所示。，如右圖所示。f1+Dfff1fDf3 光纖流量、流速傳感器光纖流量、流速傳感器 典型的光纖血流傳感器可在典型的光纖血流傳感器可在01000 cm/ /s速度速度范圍內(nèi)使用，空間分辨率為范圍內(nèi)使用，空間分辨率為100 m mm，時(shí)間分辨率為，時(shí)間分辨率為8 ms。光纖血流傳感器的缺點(diǎn)是光纖插入血管中會(huì)。光纖血流傳感器的缺點(diǎn)是光纖插入血管中會(huì)干擾血液流動(dòng)，另外背向散射光非常微弱，在設(shè)計(jì)干擾血液流動(dòng)，另外背向散射光非常微弱，在設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)必須考慮。信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)必須考慮。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器 按工作原理可分為：根據(jù)按工作原理可分為：根據(jù)法拉第

20、磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng)直直接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換，根據(jù)接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換，根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)，利用力或，利用力或其他物理量間接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。其他物理量間接實(shí)現(xiàn)磁光轉(zhuǎn)換。 1. .利用法拉第磁光效應(yīng)的光纖傳感器利用法拉第磁光效應(yīng)的光纖傳感器 利用法拉第磁光效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，如利用法拉第磁光效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，如強(qiáng)度調(diào)制方式強(qiáng)度調(diào)制方式，偏振光度測(cè)量方式偏振光度測(cè)量方式和和外差方式外差方式等，等，這里僅介紹偏振光度測(cè)量方式。這里僅介紹偏振光度測(cè)量方式。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器 偏振光經(jīng)保偏光偏振光經(jīng)保偏光纖、自聚焦透鏡進(jìn)入纖、自聚焦透鏡進(jìn)入法拉第磁光盒，經(jīng)多法拉第磁光盒，經(jīng)多次反射后進(jìn)

21、入渥拉斯次反射后進(jìn)入渥拉斯登棱鏡，把偏振光變登棱鏡，把偏振光變成振動(dòng)方向相互垂直成振動(dòng)方向相互垂直的兩束光。的兩束光。光源保偏光纖法拉第盒PHD1D2- -+ +渥拉斯渥拉斯登棱鏡登棱鏡 設(shè)無(wú)磁場(chǎng)時(shí)出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾設(shè)無(wú)磁場(chǎng)時(shí)出射光的偏振軸與棱鏡的偏振軸夾角為角為45 ，這樣，這樣D1和和D2光電管接收的光強(qiáng)為光電管接收的光強(qiáng)為)26. 8()45(sin)25. 8()45(cos202201IIII式中，式中， 為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；為偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；I0為入射光強(qiáng)；為入射光強(qiáng)；I1、I2為兩偏振光的強(qiáng)度。為兩偏振光的強(qiáng)度。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器4 光纖磁傳感器光纖磁傳感

22、器 采用圖中的采用圖中的“加加”、“減減”和和“除除”法運(yùn)算后，法運(yùn)算后，其輸出其輸出)27. 8(2sin2121IIIIP通過(guò)測(cè)量通過(guò)測(cè)量P就能確定就能確定 ，利用式，利用式( (8.17) )即可確定即可確定B。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器 2. .利用磁致伸縮效應(yīng)的光纖傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)的光纖傳感器 在磁場(chǎng)作用下，磁性物體的尺寸會(huì)發(fā)生改變，這在磁場(chǎng)作用下，磁性物體的尺寸會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象即為種現(xiàn)象即為磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)。光纖磁致伸縮效應(yīng)傳感器。光纖磁致伸縮效應(yīng)傳感器是在光纖上涂覆磁致伸縮性能良好的材料薄膜，或者是在光纖上涂覆磁致伸縮性能良好的材料薄膜，或者將光纖緊繞在磁致伸

23、縮材料芯棒上。在外磁場(chǎng)作用下，將光纖緊繞在磁致伸縮材料芯棒上。在外磁場(chǎng)作用下，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長(zhǎng)度變化及纖芯折射率變化，由于磁致伸縮效應(yīng)，纖芯長(zhǎng)度變化及纖芯折射率變化，都會(huì)導(dǎo)致光程的相應(yīng)變化。都會(huì)導(dǎo)致光程的相應(yīng)變化。4 光纖磁傳感器光纖磁傳感器 圖示為結(jié)構(gòu)原理圖。其靈敏度與磁性體磁致伸圖示為結(jié)構(gòu)原理圖。其靈敏度與磁性體磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱、膜厚度和膜長(zhǎng)度有關(guān)，主要取決于縮效應(yīng)的強(qiáng)弱、膜厚度和膜長(zhǎng)度有關(guān)，主要取決于材料的磁致伸縮常數(shù)。材料的磁致伸縮常數(shù)。磁場(chǎng)光源磁性膜光纖參考光纖光檢測(cè)器電輸出5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器 醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕緣和抗電磁干擾醫(yī)用光纖傳感器體積小、電絕

24、緣和抗電磁干擾性能好，特別適于身體的內(nèi)部檢測(cè)。可以用來(lái)測(cè)量性能好，特別適于身體的內(nèi)部檢測(cè)?？梢杂脕?lái)測(cè)量體溫、體壓、血流量、體溫、體壓、血流量、pH值等醫(yī)學(xué)參量。光纖多值等醫(yī)學(xué)參量。光纖多普勒血流傳感器已用于薄壁血管、小直徑血管、蛙普勒血流傳感器已用于薄壁血管、小直徑血管、蛙的蛛網(wǎng)狀組織，老鼠的視網(wǎng)膜皮層的血流測(cè)量等。的蛛網(wǎng)狀組織，老鼠的視網(wǎng)膜皮層的血流測(cè)量等。5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器 1. .醫(yī)用內(nèi)窺鏡醫(yī)用內(nèi)窺鏡 由于光纖柔軟、自由由于光纖柔軟、自由度大、傳輸圖像失真小，度大、傳輸圖像失真小，引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可以引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡后，可以方便的檢查人體的許多部方便的檢查人體的許多部位。上

25、圖為腹腔鏡的剖視位。上圖為腹腔鏡的剖視圖。圖像導(dǎo)管直徑約圖。圖像導(dǎo)管直徑約3.4 mm。下圖為觀察部位的。下圖為觀察部位的照片。照片。5 醫(yī)用光纖傳感器醫(yī)用光纖傳感器 2. .光纖體壓計(jì)光纖體壓計(jì) 可用來(lái)檢測(cè)人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、可用來(lái)檢測(cè)人體各部位的體壓，如膀胱、直腸、顱內(nèi)和心血管等，測(cè)量范圍通常為顱內(nèi)和心血管等，測(cè)量范圍通常為040 kPa。圖所為一種醫(yī)用體壓計(jì)探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探圖所為一種醫(yī)用體壓計(jì)探針的結(jié)構(gòu)示意圖，在探針端部的開(kāi)孔上安裝有對(duì)壓力敏感的防水薄膜。膜片針端部的開(kāi)孔上安裝有對(duì)壓力敏感的防水薄膜。膜片通過(guò)懸臂梁與反射鏡相連。通過(guò)懸臂梁與反射鏡相連。 導(dǎo)管光纖束反射鏡

26、防水薄膜懸臂梁Pp防水薄膜6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 分布式傳感器是指能同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)甚至空分布式傳感器是指能同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)甚至空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)的傳感器間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)的傳感器。 利用光纖本身特征的利用光纖本身特征的功能型功能型光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良光纖可構(gòu)成性能優(yōu)良的分布式光纖傳感器的分布式光纖傳感器，特別適于需要同時(shí)監(jiān)測(cè)在光纖特別適于需要同時(shí)監(jiān)測(cè)在光纖通過(guò)的路途上大量位置處連續(xù)變化的物理量，如建筑通過(guò)的路途上大量位置處連續(xù)變化的物理量，如建筑物、橋梁、水壩、儲(chǔ)油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測(cè)，物、橋梁、水壩、儲(chǔ)油罐等大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的檢測(cè)，石油鉆井平臺(tái)、飛機(jī)、航天器、電力變

27、壓器、發(fā)電機(jī)石油鉆井平臺(tái)、飛機(jī)、航天器、電力變壓器、發(fā)電機(jī)組、反應(yīng)堆等場(chǎng)合應(yīng)力和溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。組、反應(yīng)堆等場(chǎng)合應(yīng)力和溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 根據(jù)不同的原理，根據(jù)不同的原理，可構(gòu)成不同的可構(gòu)成不同的分布式光纖傳分布式光纖傳感器，如感器，如利用利用后向瑞利散射后向瑞利散射的的、利用利用喇曼效應(yīng)喇曼效應(yīng)的的、利用利用布里淵效應(yīng)布里淵效應(yīng)的的和和利用利用前向傳輸模耦合前向傳輸模耦合的的分布式分布式光纖光纖傳感技術(shù)等。傳感技術(shù)等。6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 瑞利散射瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的

28、，散射光的頻率與入射光的頻率相性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同。光脈沖在光纖中傳播時(shí)，由于瑞利散射而發(fā)生同。光脈沖在光纖中傳播時(shí)，由于瑞利散射而發(fā)生能量損耗，通過(guò)檢測(cè)后向散射光的強(qiáng)度，就可獲得能量損耗，通過(guò)檢測(cè)后向散射光的強(qiáng)度，就可獲得衰減程度沿光纖的分布狀況，這是一種最簡(jiǎn)單的分衰減程度沿光纖的分布狀況，這是一種最簡(jiǎn)單的分布式傳感器，也是光纖通信中查找光纜故障和缺陷布式傳感器，也是光纖通信中查找光纜故障和缺陷定位的一種診斷技術(shù)。定位的一種診斷技術(shù)。6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般采用采用光時(shí)域反

29、射光時(shí)域反射( (OTDR) )結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的空間結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的空間定位。依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用，定位。依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用，該傳感技術(shù)可分為該傳感技術(shù)可分為強(qiáng)度調(diào)制型強(qiáng)度調(diào)制型和和偏振態(tài)調(diào)制型偏振態(tài)調(diào)制型。6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 OTDR原理如原理如圖所示。圖所示。根據(jù)后向根據(jù)后向散射功率的散射功率的對(duì)數(shù)斜對(duì)數(shù)斜率率a ai是否變化，可是否變化，可知道光纖內(nèi)是否存知道光纖內(nèi)是否存在故障點(diǎn)。觀測(cè)后在故障點(diǎn)。觀測(cè)后向散射脈沖的到達(dá)向散射脈沖的到達(dá)時(shí)間時(shí)間t，便可測(cè)得，便可測(cè)得故障點(diǎn)的位置故障點(diǎn)的位置z。脈沖激光器電子處理系統(tǒng)輸入脈沖耦合器探測(cè)器

30、輸出局部微擾（損耗）連續(xù)傳感光纖zl n(Ps)斜率i斜率i光纖端面反射t= 2nz/ci6 分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器 式中式中，c為真空中光速；為真空中光速；n為纖芯折射率。為纖芯折射率。 OTDR的空間分辨率，即可分辨的兩個(gè)故障點(diǎn)的空間分辨率，即可分辨的兩個(gè)故障點(diǎn)的最小距離，是由脈沖寬度的最小距離，是由脈沖寬度t t決定的，可表示為決定的，可表示為)28. 8(22ncttz)29. 8(2minnczt 一般情況下，一般情況下，OTDR反射信號(hào)很弱，要獲得高反射信號(hào)很弱，要獲得高信噪比，常常需要對(duì)多個(gè)探測(cè)脈沖求平均。信噪比，常常需要對(duì)多個(gè)探測(cè)脈沖求平均。6 分布式光纖傳感器分布式

31、光纖傳感器 利用適當(dāng)?shù)墓饫w結(jié)構(gòu)，使損耗系數(shù)利用適當(dāng)?shù)墓饫w結(jié)構(gòu)，使損耗系數(shù)a ai與環(huán)境的某與環(huán)境的某個(gè)物理量有關(guān)，則可對(duì)其進(jìn)行分布式測(cè)量。例如：個(gè)物理量有關(guān)，則可對(duì)其進(jìn)行分布式測(cè)量。例如：外界壓力或變形使光纖產(chǎn)生的微彎損耗；在光纖中外界壓力或變形使光纖產(chǎn)生的微彎損耗；在光纖中摻雜稀土離子后，衰減與環(huán)境溫度有關(guān)；利用保偏摻雜稀土離子后，衰減與環(huán)境溫度有關(guān)；利用保偏光纖，若環(huán)境使光纖產(chǎn)生應(yīng)力，將導(dǎo)致光信號(hào)的偏振光纖，若環(huán)境使光纖產(chǎn)生應(yīng)力，將導(dǎo)致光信號(hào)的偏振狀態(tài)發(fā)生變化；利用克爾效應(yīng)或法拉第磁光效應(yīng)，狀態(tài)發(fā)生變化；利用克爾效應(yīng)或法拉第磁光效應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)偏振狀態(tài)來(lái)測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布。通過(guò)監(jiān)測(cè)偏振狀態(tài)

32、來(lái)測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布。7 工業(yè)用內(nèi)窺鏡工業(yè)用內(nèi)窺鏡 在工業(yè)生產(chǎn)的某些過(guò)程中，經(jīng)常需要檢查某些系在工業(yè)生產(chǎn)的某些過(guò)程中，經(jīng)常需要檢查某些系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而這些系統(tǒng)由于種種原因不能打開(kāi)統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而這些系統(tǒng)由于種種原因不能打開(kāi)或靠近觀察，采用光纖圖像傳感器可解決這一難題?；蚩拷^察，采用光纖圖像傳感器可解決這一難題。8 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器如圖所示。光纖加速度傳感器如圖所示。9 光纖光纖光柵傳感器光柵傳感器 1978年首次觀察到摻鍺光纖中因光誘導(dǎo)產(chǎn)生的光年首次觀察到摻鍺光纖中因光誘導(dǎo)產(chǎn)生的光柵效應(yīng)，其后又發(fā)展了紫外光側(cè)面寫入光敏光纖光柵柵效應(yīng)，其后又發(fā)展了紫外光

33、側(cè)面寫入光敏光纖光柵技術(shù)。所謂光纖的技術(shù)。所謂光纖的光敏性光敏性是指，摻雜光纖中通過(guò)激光是指，摻雜光纖中通過(guò)激光時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化。如用激光干涉條紋側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會(huì)使其化。如用激光干涉條紋側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會(huì)使其成為光纖光柵，并且在成為光纖光柵，并且在500 以下穩(wěn)定不變，用以下穩(wěn)定不變，用500 以上的高溫可擦除。這種光柵制作簡(jiǎn)單，在光纖通以上的高溫可擦除。這種光柵制作簡(jiǎn)單，在光纖通信和光纖傳感中都有相當(dāng)重要的應(yīng)用。信和光纖傳感中都有相當(dāng)重要的應(yīng)用。9 光纖光纖光柵傳感器光柵傳感器 光纖光柵是利用光纖的光敏性

34、光纖光柵是利用光纖的光敏性( (也稱為也稱為光致折光致折射率變化效應(yīng)射率變化效應(yīng)) )制成的。制成的。光纖光柵實(shí)質(zhì)上是一種波光纖光柵實(shí)質(zhì)上是一種波長(zhǎng)選擇反射器長(zhǎng)選擇反射器，它的反射信號(hào)的波長(zhǎng)會(huì)受施于其上，它的反射信號(hào)的波長(zhǎng)會(huì)受施于其上的溫度和應(yīng)變的影響而發(fā)生變化。利用光纖光柵的的溫度和應(yīng)變的影響而發(fā)生變化。利用光纖光柵的溫度和應(yīng)變兩種效應(yīng)，可以檢測(cè)許多物理量，在傳溫度和應(yīng)變兩種效應(yīng)，可以檢測(cè)許多物理量，在傳感技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣闊。感技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣闊。10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用 光纖層析成像分析技術(shù)源于光纖層析成像分析技術(shù)源于X射線層析成像分析射線層析成像

35、分析( (CT) )，其基本原理是，當(dāng)光線經(jīng)過(guò)被測(cè)樣品時(shí)，不，其基本原理是，當(dāng)光線經(jīng)過(guò)被測(cè)樣品時(shí)，不同樣品材料的吸收特性不同，因此對(duì)經(jīng)過(guò)樣品的光線同樣品材料的吸收特性不同，因此對(duì)經(jīng)過(guò)樣品的光線進(jìn)行測(cè)量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)行測(cè)量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行解算就可得到所需要的樣品參數(shù)。根據(jù)原理和應(yīng)用場(chǎng)解算就可得到所需要的樣品參數(shù)。根據(jù)原理和應(yīng)用場(chǎng)合的不同，可分為合的不同，可分為光相干層析成像分析技術(shù)光相干層析成像分析技術(shù)( (OCT) )和和光過(guò)程層析成像分析技術(shù)光過(guò)程層析成像分析技術(shù)( (OPT) )。10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用 O

36、CT的基本原理如圖所示，一個(gè)光脈沖在樣的基本原理如圖所示，一個(gè)光脈沖在樣品的不同深度處反射回來(lái)的時(shí)間是不同的，通過(guò)測(cè)品的不同深度處反射回來(lái)的時(shí)間是不同的，通過(guò)測(cè)量光脈沖從樣品中反射回來(lái)的時(shí)間延時(shí)，可得到樣量光脈沖從樣品中反射回來(lái)的時(shí)間延時(shí)，可得到樣品深度方向的結(jié)構(gòu)圖像。品深度方向的結(jié)構(gòu)圖像。10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用 若想反映若想反映m mm量級(jí)的深度差別，則時(shí)間延遲將短量級(jí)的深度差別，則時(shí)間延遲將短至至1015 s，電子設(shè)備難以直接測(cè)量，故利用邁克爾，電子設(shè)備難以直接測(cè)量，故利用邁克爾遜干涉儀進(jìn)行測(cè)量。遜干涉儀進(jìn)行測(cè)量。10 光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用 OCT主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，例如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒例如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實(shí)